CN111856361B - 一种核磁共振谱仪及其探测能级结构的方法 - Google Patents

一种核磁共振谱仪及其探测能级结构的方法 Download PDF

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Abstract

一种核磁共振谱仪，包括：样品腔(11)，用于装载待测样品(111)并提供射频磁场；激光系统(12)，用于产生泵浦光和探测光，并将泵浦光和探测光聚焦于待测样品(111)，以使待测样品(111)在泵浦光、探测光以及射频磁场的作用下产生光子回波信号；探测系统(13)，用于将光子回波信号转换为电信号，并可视化显示电信号，以实现对待测样品能级结构的测量。通过将光子回波信号探测与射频电磁场、光谱烧孔技术结合起来，实现了非均匀加宽的光学跃迁超精细能级结构的探测，可用于表征超精细相互作用。该核磁共振谱仪具有探测全面、准确性高、抗干扰性好等优点，设备简单且易于操作。

Description

一种核磁共振谱仪及其探测能级结构的方法
技术领域
本发明涉及核磁共振技术领域，尤其涉及一种核磁共振谱仪及其探测能级结构的方法。
背景技术
核磁共振在物理、化学、生物、医学、工程等诸多领域具有广泛的应用，是一种普适的物性检测手段。其中，基于光学探测的核磁共振分析具有高灵敏度的特点，目前在前沿科学研究中很受欢迎。例如，在量子通信研究领域，量子存储器是实现远程量子通信的核心器件。而基于稀土掺杂晶体的量子存储器具有高效率、高保真度、存储带宽大、存储寿命长等特点，使得它越来越受到人们的关注。为了选出具有优越性能的稀土掺杂晶体，基于核磁共振分析来探测其精细能级结构并表征其超精细相互作用原理就显的至关重要。目前基于光学探测的核磁共振分析手段主要有以下几种：1)光谱烧孔技术：光谱烧孔是对材料吸收谱特定频率的饱和激发后，导致材料的吸收谱在特定频谱范围内的增强或减弱的效应，光谱烧孔获得的光谱结构包含了原子的超精细能级结构信息，可以有效地精确读取基态与激发态的精细能级结构；2)拉曼外差的核磁共振技术：它读取参考输入光场及散射光场之间的拍频信号，利用外差放大的特性测量其精细结构的能谱，它具有极高的信噪比，但是它无法分辨谱线对应光学跃迁基态还是激发态。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于以上技术问题，本发明提供了一种核磁共振谱仪及其探测能级结构的方法，以实现非均匀加宽的光学跃迁超精细能级结构的探测，本发明具有探测全面、准确性高、抗干扰性好的特点。
(二)技术方案
第一方面，本发明提供了一种核磁共振谱仪，包括：样品腔11，用于装载待测样品111并提供射频磁场；激光系统12，用于产生泵浦光和探测光，并将泵浦光和探测光聚焦于所述待测样品111，以使待测样品111在泵浦光、探测光以及射频磁场的作用下产生光子回波信号；探测系统13，用于将光子回波信号转换为电信号，并可视化显示电信号，以实现对待测样品能级结构的测量。
可选地，样品腔11包括：恒定磁场的低温腔112，用于冷却待测样品111至预设温度，同时提供恒定磁场；射频线圈113，缠绕于待测样品111表面，用于为待测样品111提供射频磁场，以使待测样品111的能级布居数迁移；射频驱动114，用于控制射频线圈113上射频信号的加载，以使射频线圈113根据射频信号产生射频磁场。
可选地，激光系统12包括：激光器121，用于产生激光；第一声光调制器122，用于将所述激光调制为泵浦光；第二声光调制器123，用于将所述激光调制为固定频率的具有三个脉冲的探测光；透镜组124，用于聚焦探测光，并将聚焦后的探测光和泵浦光射于待测样品上，以使待测样品111产生光子回波信号。
可选地，泵浦光用于使待测样品的吸收带能级初始化；探测光用于使能级初始化后的待测样品111产生能级跃迁生成光子回波信号。
可选地，透镜组124采用交叉光路形式，以使探测光和泵浦光交叉射于待测样品111上，以避免泵浦光产生的噪声。
可选地，泵浦光包括测量光学下能级泵浦光和同时测量光学上能级和下能级的泵浦光。
可选地，当泵浦光为光学下能级泵浦光时，射频驱动114的射频信号加载于探测光之前。
可选地，当泵浦光为光学上能级和下能级泵浦光时，射频驱动114的射频信号加载于探测光的第二脉冲和第三脉冲之间。
可选地，探测系统13包括：光电探测器131，用于将光子回波信号转化为电信号；示波器132，用于可视化显示所述电信号，以实现对待测样品超精细能级结构的测量。
第二方面，本发明还提供了一种采用上述核磁共振谱仪探测待测样品能级结构的方法，包括：S1，将待测样品装载于样品腔11中，并加载射频磁场；S2，将激光系统12产生的泵浦光和探测光聚焦与待测样品111，以使待测样品111在泵浦光、探测光以及射频磁场的作用下产生光子回波信号；S3，将光子回波信号送于探测系统13，以使探测系统13将光子回波信号转换为电信号，并可视化显示电信号，以实现对待测样品超精细能级结构的测量。
(三)有益效果
本发明提供了一种核磁共振谱仪及其探测能级结构的方法，将光子回波信号探测与射频电磁场、光谱烧孔技术结合起来，实现了非均匀加宽的光学跃迁超精细能级结构的探测，可用于表征超精细相互作用。该核磁共振谱仪既能探测光学上能级结构又能探测光学下能级的结构探测全面、具有较高的信噪比无拍频响应准确性高、对非均匀射频表现出良好的抗噪声能量抗干扰性好，设备简单且易于操作。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例的核磁共振谱仪的结构框图；
图2示意性示出了本公开实施例的核磁共振谱仪的工作示意图；
图3A示意性示出了本公开实施例的核磁共振谱仪选择测量光学下能级泵浦光时具体实施流程图；
图3B示意性示出了本公开实施例的核磁共振谱仪选择测量光学上下能级泵浦光时具体实施流程图；
图4示意性示出了本公开实施例的基于相同样品腔11和激光系统12，采用拉曼外差探测的谱图；
图5示意性示出了本公开实施例的核磁共振谱仪测量光学下能级的能谱图；
图6示意性示出了本公开实施例的核磁共振谱仪测量光学上下能级的能谱图；
图7示意性示出了本公开实施例的基于核磁共振谱仪测量能级结构的方法步骤图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
第一方面，本发明提供了一种核磁共振谱仪，参见图1，包括：样品腔11，用于装载待测样品111并提供射频磁场；激光系统12，用于产生泵浦光和探测光，并将泵浦光和探测光聚焦于待测样品111，以使待测样品111在泵浦光、探测光以及射频磁场的作用下产生光子回波信号；探测系统13，用于将光子回波信号转换为电信号，并可视化显示电信号，以实现对待测样品能级结构的测量。以下将以具体的实施例对其进行详细的介绍，参见图2。
样品腔11，用于装载待测样品111并提供射频磁场；
具体的，样品腔11可以为样品检测提供射频磁场以及核磁共振所需的恒定磁场，包括恒定磁场的低温腔112、射频线圈113以及射频驱动114，其中：恒定磁场的低温腔112，用于冷却待测样品111至预设温度，同时提供恒定磁场；射频线圈113，缠绕于待测样品111表面，如图2所示，用于为待测样品111提供射频磁场，以使待测样品11的能级布居数迁移；射频驱动114，用于控制射频线圈113上射频信号的加载，以使射频线圈113根据射频信号产生射频磁场。
本发明实施例，待测样品111放置于恒定磁场的低温腔112内，其具有非均匀加宽的光学跃迁，待测样品111优选为Eu：YSO晶体，其参数具体为：掺杂浓度万分之一，晶体三维尺寸为3×4×10mm，其中10mm为a轴方向，光线沿a轴传播，晶体入射出射截面对580nm镀增透膜，入射光偏振态为与晶体c轴平行。
恒定磁场的低温腔112可以通过闭循环制冷的方式冷却待测样品111也即Eu：YSO晶体至预设温度，该预设温度优选为3.5K，样品空间大于30mm尺寸。恒定磁场的低温腔112振动幅度为纳米级，其光学窗片直径为25mm。本实施例实施的是零磁场下的核磁谱检测，故无需提供恒定磁场。
射频线圈113，材料为0.5mm无氧铜漆包线，均匀缠绕10圈于Eu：YSO晶体表面并串联一个50欧负载，用于为待测样品111提供射频磁场，以使Eu：YSO晶体的能级布居数迁移；
射频驱动114由一个可编程射频源直连一个宽带宽放大器驱动，射频源经计算机编程后可以产生频率及幅度受控的射频扫频信号，可以实现在特定时间加载设定频率的射频信号到射频线圈113上。它调制脉冲宽度可以为40us，可以从30MHz扫频到110MHz。改变射频电磁场频率，其带宽应覆盖所有超精细能级，本实施例中可以从30MHz扫频到110MHz。当其射频电磁场频率等于Eu：YSO晶体211超精细能级跃迁的共振频率，会导致光子回波信号的产生(当测量光学下能级时)或削弱(当测量光学上能级和下能级时)。
激光系统12，用于产生泵浦光和探测光，并将泵浦光和探测光聚焦于待测样品111，以使待测样品111在泵浦光、探测光以及射频磁场的作用下产生光子回波信号；
具体的，激光系统12包括激光器121、第一声光调制器122、第二声光调制器123以及透镜组124，具体的：激光器121，用于产生连续可调谐的激光；第一声光调制器122，用于将激光调制为泵浦光，该泵浦光包括测量光学上能级的泵浦光和测量光学下能级的泵浦光，该泵浦光能使待测样品11I的吸收带能级初始化；第二声光调制器123，用于将激光调制为固定频率的具有三个脉冲的探测光；透镜组124，用于聚焦探测光，并将聚焦后的探测光和泵浦光射于待测样品上，以使待测样品111吸收探测光产生光子回波信号。
本发明实施例，激光器121优选为倍频半导体激光器，其输出580nm的稳频激光，其功率达880mW，线宽为1kHz量级、该激光波长与Eu：YSO晶体的光学吸收带共振。激光由PDH锁频技术锁定向一个超温参考FP腔，克服温度变化引起的长期漂移，使系统连续工作的稳定性增强。
第一声光调制器122为TeO2材料的声光晶体，其中心频率为200MHz，射频带宽为100MHz，调制上升时间为10ns。中心频率调制下的激光频率对应Eu：YSO晶体211在3.5K下的吸收中心。该声光晶体由一个可编程射频源驱动，射频源经计算机编程后可以产生频率及幅度受控的射频扫频信号。为使待测样品111能级初始化，本泵浦光可以多次以中心频率为中心，带宽为100MHz进行扫频。如图3A所示，当选择测量光学下能级的泵浦光，泵浦光需要在大范围扫频的能级初始化后，多次以中心频率为中心，采用带宽为3MHz的小范围进行扫频以烧空中心频率(若完全烧空，则未加射频脉冲时，光子回波探测信号消失)，加载射频磁场脉冲后，再进行探测光处理，其中，大范围扫频的频率应覆盖待测样品精细能级间距的3倍，小范围扫频的频率一般小于待测样品精细能级间距的1/10。如图3B所示，如同时选择测量光学上能级和下能级的泵浦光，泵浦光只需要在进行大范围扫频的能级初始化后，直接进行三脉冲光子回波探测序列，在第二脉冲与第三脉冲加载射频磁场脉冲。对比两次测量，即可得到待测样品光学上下能级的超精细结构。
第二声光调制器123，为TeO2材料的声光晶体，其固定工作频率为200MHz，将调制后的激光频率移动到泵浦光的中心频率对准，其调制脉冲宽度可以为1us，第二声光调制器123将激光器121调制为具有三个脉冲的光子回波序列也即探测光。探测光用于使能级初始化后的待测样品111产生能级跃迁生成光子回波信号。
透镜组124的焦距可以为200mm，将信号光高斯模式聚焦后光斑大小约60um。泵浦光在样品上光斑大小为180um。透镜组124采用交叉光路形式，以使探测光和泵浦光交叉射于待测样品111上，以避免泵浦光产生的噪声。探测光与泵浦光在样品上的夹角约为25mrad，透镜组124可以对580nm镀增透膜。以使待测样品111吸收探测光产生光子回波信号。
探测系统13，用于将光子回波信号转换为电信号，并可视化显示电信号，以实现对待测样品能级结构的测量。
具体的，探测系统13包括光电探测器131以及示波器132，具体的：光电探测器131，用于将光子回波信号转化为电信号；示波器132，用于可视化显示电信号，以实现对待测样品超精细能级结构的测量。
本发明实施例中，光电探测器131为硅基探测器，它将光强大小线性的转换为电压大小，该硅基探测器的参数优选为：带宽150M，固定增益，输出0-4V的电压。
示波器132可以精确测量光电探测器131输出的电压大小，其受可编程射频源的触发控制。
为了进一步衡量比较本发明中的核磁共振谱仪的稳定性、准确性和抗干扰能力，对比了基于相同的射频系统与激光系统条件下，使用不同方法探测的谱图进行比较。图4可以看出，拉曼外差的方法不抗干扰，产生了与信号同量级的噪声。而图5、图6可以看到，本申请的光子回波信号探测几乎无任何噪声，可见基于光子回波探测的核磁共振谱仪具有良好的抗干扰能力。拉曼外差的方法能测光学上下能级的精细结构跃迁(34.5MHz、46.2MHz、75.0MHz、101.6MHz)但不能分辨这些跃迁对应上能级还是下能级，并且其还产生了除噪声外的虚假跃迁(80.7MHz)，理论上无法避免。图5和图6不仅清晰地表明了待测样品的所有超精细能级跃迁(34.5MHz、46.2MHz、75.0MHz、101.6MHz)，还表明了其归属的上下能级，无虚假跃迁，全面准确，良好的抗干扰能力和清晰信噪比所保证的准确性，确保了该核磁共振谱仪的良好稳定性。
第二方面，本发明还提供了一种待测样品能级结构的方法，参见图7，包括：S1，将待测样品装载于样品腔11中，并加载射频磁场；S2，将激光系统12产生的泵浦光和探测光聚焦与待测样品111，以使待测样品111在泵浦光、探测光以及射频磁场的作用下产生光子回波信号；S3，将光子回波信号送于探测系统13，以使探测系统13将光子回波信号转换为电信号，并可视化显示电信号，以实现对待测样品超精细能级结构的测量。
本发明实施例中设计了独创的光谱烧孔、射频脉冲与光子回波实施序列，将光子回波信号探测与射频电磁场和能级初始化结合起来，实现了非均匀加宽的光学跃迁超精细能级结构的探测，可进一步表征超精细相互作用。与拉曼外差等传统手段相比较，本发明具有探测全面(既能探测光学上能级又能探测光学下能级)、准确(较高的信噪比，无拍频响应)、抗干扰性好(对非均匀射频表现出良好的抗噪声能力)的优点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种核磁共振谱仪，包括：
样品腔(11)，用于装载待测样品(111)并提供射频磁场；
激光系统(12)，用于通过激光器(121)产生连续可调谐的激光，并通过第一声光调制器(122)将激光调制为泵浦光，该泵浦光包括测量光学上能级的泵浦光和测量光学下能级的泵浦光，该泵浦光能使所述待测样品(111)的吸收带能级初始化，通过第二声光调制器(123)将激光调制为固定频率的具有三个脉冲的探测光，使用透镜组(124)聚焦探测光，并将聚焦后的探测光和泵浦光射于待测样品上，以使待测样品(111)吸收探测光产生光子回波信号；
探测系统(13)，用于将所述光子回波信号转换为电信号，并由示波器直接显示所述电信号，以实现对所述待测样品能级结构的测量。
2.根据权利要求1所述的核磁共振谱仪，所述样品腔(11)包括：
恒定磁场的低温腔(112)，用于冷却待测样品(111)至预设温度，同时提供恒定磁场；
射频线圈(113)，缠绕于待测样品(111)表面，用于为待测样品(111)提供射频磁场，以使待测样品(111)的能级布居数迁移；
射频驱动(114)，用于控制射频线圈(113)上射频信号的加载，以使射频线圈(113)根据射频信号产生射频磁场。
3.根据权利要求1所述的核磁共振谱仪，所述泵浦光用于使所述待测样品(111)的吸收带能级初始化；所述探测光用于使能级初始化后的待测样品(111)产生能级跃迁生成光子回波信号。
4.根据权利要求3所述的核磁共振谱仪，所述透镜组(124)采用交叉光路形式，以使所述探测光和泵浦光交叉射于所述待测样品(111)上，以避免所述泵浦光产生的噪声。
5.根据权利要求1所述的核磁共振谱仪，所述泵浦光包括测量光学下能级泵浦光和同时测量光学上能级和下能级的泵浦光。
6.根据权利要求5所述的核磁共振谱仪，当所述泵浦光为光学下能级泵浦光时，所述射频驱动(114)的射频信号加载于所述探测光之前。
7.根据权利要求5所述的核磁共振谱仪，当所述泵浦光为光学上能级和下能级泵浦光时，所述射频驱动(114)的射频信号加载于所述探测光的第二脉冲和第三脉冲之间。
8.根据权利要求1所述的核磁共振谱仪，所述探测系统(13)包括：
光电探测器(131)，用于将所述光子回波信号转化为电信号；
示波器(132)，用于可视化显示所述电信号，以实现对所述待测样品超精细能级结构的测量。
9.一种采用权利要求1～8中任意一项所述核磁共振谱仪探测待测样品能级结构的方法，包括：
S1，将待测样品装载于样品腔(11)中，并加载射频磁场；
S2，用于通过激光器(121)产生连续可调谐的激光，并通过第一声光调制器(122)将激光调制为泵浦光，该泵浦光包括测量光学上能级的泵浦光和测量光学下能级的泵浦光，该泵浦光能使所述待测样品(111)的吸收带能级初始化，通过第二声光调制器(123)将激光调制为固定频率的具有三个脉冲的探测光，使用透镜组(124)聚焦探测光，并将聚焦后的探测光和泵浦光射于待测样品上，以使待测样品(111)吸收探测光产生光子回波信号；
S3，将所述光子回波信号送于探测系统(13)，以使所述探测系统(13)将所述光子回波信号转换为电信号，并可视化显示所述电信号，以实现对所述待测样品(111)超精细能级结构的测量。
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